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Movimientos vibratorios




Enviado por Pablo Turmero



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    1 Movimientos vibratorios Movimiento vibratorio Armónico
    Simple(MAS) Otros movimientos vibratorios Ecuaciones del MAS
    Oscilador armónico simple Dinámica del oscilador
    armónico simple Comparación del MAS y del MCU
    Péndulo simple Energía del oscilador
    armónico simple MOVIMIENTOS VIBRATORIOS Este enlace nos
    lleva a una página del proyecto Newton del CNICE
    (Ministerio de Educación) donde podemos ver esta unidad
    completa con “escenas interactivas” (applets o
    fislets) (animaciones)

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    2 1. Movimiento vibratorio armónico simple Movimiento
    periódico Una partícula describe un movimiento
    periódico cuando las variables posición, velocidad
    y aceleración de ese movimiento toman los mismos valores
    después de cada intervalo de tiempo constante llamado
    periódo. El movimiento circular y uniforme MCU es un
    ejemplo de movimiento periódico. En la figura la
    partícula se desplaza siguiendo una trayectoria circular
    con velocidad angular ? constante Cuando pasa por los puntos A,
    B, C , ….. la posición , la velocidad lineal y la
    aceleración tienen el mismo valor que en la vuelta
    anterior A B C El movimiento de la luna alrededor de la Tierra,
    el de la Tierra alrededor del Sol, el de las alas de un
    pájaro cuando está volando, el de las mareas, el de
    un péndulo, el de un objeto colgado de un muelle, etc son
    ejemplos de movimientos periódicos.

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    3 Movimiento Oscilatorio o Vibratorio Son aquellos movimientos
    periódicos en los que la partícula se desplaza
    sucesivamente a un lado y a otro de una posición de
    equilibrio. Cada vez que la partícula vuelve a la
    posición de partida moviéndose en el mismo sentido
    decimos que ha efectuado una oscilación y ha invertido un
    tiempo que se llama periodo Cuando las oscilaciones son muy
    rápidas se denominan vibraciones y al movimiento se le
    denomina vibratorio. Movimiento Vibratorio Armónico Simple
    (MAS) Un movimiento oscilatorio (o vibratorio) de una
    partícula sobre una trayectoria rectilínea es
    armónico simple cuando está sometido a la
    acción de una fuerza de atracción directamente
    proporcional al desplazamiento de la partícula de su
    posición de equilibrio y de signo contrario. Las
    partículas unidas a resortes (muelles) que cumplen la ley
    de Hooke tienen un movimiento vibratorio armónico simple.
    VER

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    4 1.1. Ecuaciones del movimiento vibratorio armónico
    simple Como todo movimiento, para describir el MAS debemos
    obtener unas ecuaciones que nos permitan conocer la
    posición , la velocidad y la aceleración de una
    partícula en un instante determinado. Cuando
    estudiábamos el movimiento uniforme o el uniformemente
    acelerado o el circular uniforme, vimos que para la
    descripción de estos movimientos necesitábamos unas
    ecuaciones para conocer la posición, la velocidad y la
    aceleración de los cuerpo o partículas afectados
    por estos movimientos: M.U. M.U.A. M.C.U. Pero antes, debemos
    recordar o definir algunas magnitudes características de
    este movimiento. (Gp:) x (Gp:) t (Gp:) v (Gp:) t (Gp:) x (Gp:)
    t

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    5 1.1. Ecuaciones del MAS (Cont.) Oscilación o
    Vibración es el movimiento comprendido entre el paso
    consecutivo de la partícula por un mismo punto, con las
    mismas características cinemáticas (igual
    posición, igual velocidad e igual aceleración
    Centro de Oscilación es el punto medio de la distancia que
    separa las dos posiciones extremas alcanzadas por la
    partícula. Es la posición de equilibrio.
    Elongación es la posición que tiene la
    partícula en un instante cualquiera, respecto del centro
    de oscilación. En el S.I. se mide en m Amplitud A es la
    máxima elongación. Representa la máxima
    distancia que se aleja la partícula respecto del centro de
    oscilación. En el S.I. se mide en m Periodo T es el tiempo
    que tarda la partícula en efectuar una oscilación.
    En el S.I. se mide en s Frecuencia f es el número de
    oscilaciones que efectúa la partícula en la unidad
    de tiempo. En el S.I. se mide en Hertzios (Hz) o s –1. La
    representaremos por x o y según sea horizontal o vertical
    la trayectoria rectilínea que describe la partícula
    Es la inversa del periodo: -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5

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    6 1.1. Ecuaciones del MAS (Cont.) Oscilación o
    Vibración Centro de Oscilación Elongación
    Amplitud A Periodo T Frecuencia f Pulsación ? es el
    número de periodos comprendidos en 2 p segundos. En el
    S.I. se mide en rad/s o s –1. Por definición: -5 -4
    -3 -2 -1 1 2 3 4 5

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    7 Actividad El periodo de un movimiento vibratorio
    armónico simple (MAS) es 0,2 s. Por definición:
    Calcular su frecuencia y su pulsación. Datos: T = 0,2 s
    Actividad El punto rojo de la figura realiza un MAS de 0,4 Hz de
    frecuencia. Calcular: a) la pulsación , b) el periodo , c)
    la amplitud en el S.I. -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 cm Datos: f =
    0,40 Hz a) Por definición: c) Leemos el valor en la
    figura: A = 5 cm = 0,05 m b) El periodo es el inverso de la
    frecuencia:

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    8 1.1. Ecuaciones del MAS (Cont.) . Ecuación de la
    elongación La ecuación fundamental del MAS nos
    describe cómo varía la elongación x a lo
    largo de la trayectoria en función del tiempo t.
    Elongación (m) Amplitud (m) Ángulo de fase o fase
    (rad) Fase inicial o constante de fase (rad) Ver RADIÁN
    Una partícula posee un MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE a
    lo largo de un eje X cuando su elongación o coordenada de
    posición x sobre este eje se expresa mediante una
    función senoidal o cosenoidal (seno o coseno) del tiempo
    dado. ( Eje Y ) ( Condiciones iniciales) -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5
    Otras formas de la misma ecuación:

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    9 1.1. Ecuaciones del MAS (Cont.). Ecuación de la
    elongación –1 0 = 0 0 0 +1 +A 0 0 0 0 –A T
    Vamos a representar la gráfica x-t de este movimiento:
    Elaboraremos una tabla de valores para obtener la gráfica.
    x (m) t (s) 0 T (Gp:) +A (Gp:) – A 0 La ecuación de
    la elongación también la podemos poner en
    función de la frecuencia: En función del periodo la
    ecuación es: 0

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    10 1.1. Ecuaciones del MAS (Cont.). Ecuación de la
    velocidad Para obtener la ecuación de la velocidad debemos
    derivar la ecuación de la elongación respecto del
    tiempo: La gráfica velocidad – tiempo v – t para el
    MAS la obtenemos como hemos hecho para la elongación, a
    partir de una tabla de valores, como la anterior: v (m/s) t (s) 0
    T (Gp:) +A·? (Gp:) – A·? 0 T

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    11 1.1. Ecuaciones del MAS (Cont.). Ecuación de la
    aceleración Para obtener la ecuación de la
    aceleración debemos derivar la ecuación de la
    velocidad respecto del tiempo: La gráfica
    aceleración – tiempo a – t para el MAS la obtenemos
    como hemos hecho para la elongación y para la velocidad, a
    partir de una tabla de valores, que tiene los mismos valores para
    el sen ?t que la tabla de la elongación x: a (m/s2) t (s)
    0 T (Gp:) +A·?2 (Gp:) – A·?2 0 T

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    12 1.2. Comparación del MAS y del MCU Para la mejor
    comprensión del MAS de una partícula es útil
    compararlo con el MCU de la misma partícula. APPLET
    Proyecto Newton Vemos pues que el MAS se puede considerar como
    una proyección de un MCU sobre un diámetro de la
    misma circunferencia. -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 • Cada
    revolución en el MCU se convierte en una oscilación
    en el MAS • El radio R • El periodo T del MAS • La
    velocidad angular ? • El ángulo inicial f0 del MCU
    • El periodo T • La pulsación ? • La fase
    inicial f0 son • La amplitud A • La proyección
    del vector velocidad del MCU sobre el diámetro da lugar al
    vector velocidad del MAS • La proyección del vector
    aceleración normal del MCU sobre el diámetro da
    lugar al vector aceleración del MAS

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    13 ?El Movimiento Armónico Simple es un movimiento
    periódico en el que la posición varía
    según una ecuación de tipo senoidal o cosenoidal.
    ?La velocidad del cuerpo cambia continuamente, siendo
    máxima en el centro de la trayectoria y nula en los
    extremos, donde el cuerpo cambia el sentido del movimiento. ?El
    M.A.S. es un movimiento acelerado no uniformemente. Su
    aceleración es proporcional al desplazamiento y de signo
    opuesto a este. Toma su valor máximo en los extremos de la
    trayectoria, mientras que es mínimo en el centro. ?Podemos
    imaginar un M.A.S. como una proyección de un Movimiento
    Circular Uniforme. El desfase nos indica la posición del
    cuerpo en el instante inicial. Resumiendo

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    14 Ejercicio 6 de la página 102 Datos: MAS con 15
    vibraciones cada 40 s a) La frecuencia f es el número de
    vibraciones que da la partícula en la unidad de tiempo,
    1s, luego: b) El período T , tiempo que tarda la
    partícula en dar una vibración, es la inversa de la
    frecuencia f : c) La pulsación ? la calculamos mediante la
    expresión: También hemos podido utilizar la
    expresión:

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    15 Actividad 1: Una partícula se mueve con un MAS cuya
    elongación es: a) Calcular su amplitud: Comparamos la
    ecuación que nos dan con la ecuación general de la
    elongación del MAS. Deducimos por tanto que la amplitud
    vale 0,8 m: b) Calcular su periodo: Podemos calcular el periodo T
    a partir de la pulsación ? , ya que : Comparamos de nuevo
    la ecuación que nos dan con la ecuación general de
    la elongación del MAS. Deducimos por tanto que la
    pulsación vale : ? = Calculamos el periodo T
    despejándolo de la expresión anterior: c) Calcular
    la fase inicial: Comparamos de nuevo la ecuación que nos
    dan con la ecuación general de la elongación del
    MAS. Deducimos por tanto que la fase inicial vale :

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    16 Actividad (Cont.) d) Calcular la elongación en los
    instantes t = 0 s , t = 0,5 s y t = 1,5 s Para calcular la
    elongación en esos instantes sustituiremos en la
    ecuación la variable t por los valores que nos dan: Para t
    = 0 s: Para t = 0,5 s: Para t = 1,5 s: e) Escribir la
    ecuación de la velocidad. La ecuación de la
    velocidad la obtenemos derivando respecto el tiempo la
    ecuación de la elongación: f) ¿Cuál
    es la velocidad máxima? El valor máximo de la
    velocidad lo tomará cuando el cos(p t + p/6) sea 1. Por
    tanto:

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    17 Actividad 2: Una partícula describe un MAS de
    ecuación ( en unidades SI): Calcular cuánto vale la
    velocidad de la partícula en los instantes que pasa por la
    posición x = 3 m Datos: MAS ; ; x = 3 m La velocidad de la
    partícula nos viene dada por la ecuación : Vemos
    que depende del tiempo. Luego para calcular la velocidad cuando
    la partícula pasa por la posición x = 3 m ,
    bastaría con conocer el instante en el que la
    partícula pasa por esa posición. Esto lo podemos
    calcular a partir de la ecuación de la elongación:
    Despejamos el seno: Calculamos el ángulo y el tiempo:
    Finalmente, sustituimos este valor en la ecuación de la
    velocidad:

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    18 Ejercicio 7 de la página 102 Datos: MAS , fo = 0 ; f =
    50 Hz ; A = 3 cm = 0,03 m a) El período T, tiempo que
    tarda la partícula en dar una vibración, es la
    inversa de la frecuencia f : b) La pulsación ? la
    calculamos mediante la expresión: c) La ecuación de
    la elongación x en el MAS es: x = A· sen
    (?·t + fo) y por tanto basta con conocer la amplitud A, la
    pulsación ? y la fase inicial f0 : A = 0,03 m ? = 100 p
    rad/s f0 = 0 rad x = 0,03· sen (100p·t + 0) x =
    0,03· sen 100p·t en unidades del S.I. ( x =
    0,03· sen 314,16·t en unidades del S.I. )

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    19 2.Oscilador armónico simple Hasta ahora hemos estudiado
    las características cinemáticas del MAS. A
    continuación vamos a estudiar la dinámica y la
    energía del MAS, aplicadas a un caso concreto de oscilador
    armónico (sistema animado de MAS debido a la acción
    de una fuerza recuperadora ) 2.1. Dinámica del Oscilador
    armónico simple Si una partícula de masa m
    está sometida a un MAS hemos visto que tiene una
    aceleración: Conocida la masa y la aceleración,
    podemos a partir de la 2ª ley de Newton determinar la fuerza
    resultante F sobre la partícula: Como la pulsación
    ? y la masa m son constantes, podemos concluir que: donde k es
    una constante, denominada constante elástica o
    recuperadora , que en el S.I. se mide en Vimos que en el MAS, la
    fuerza responsable es directamente proporcional a la
    elongación (al desplazamiento) de la partícula y
    opuesta a ella . y a una fuerza:

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    20 2.1. Dinámica del Oscilador armónico simple
    (Cont.) La fuerza que produce un MAS es una fuerza central,
    dirigida hacia el punto de equilibrio y directamente proporcional
    a la distancia a éste. Podemos calcular la
    pulsación ? del MAS a partir de la expresión de la
    constante: despejándo obtenemos que: Recordando que la
    pulsación ? la podemos poner en función del periodo
    T: podemos obtener el periodo T de oscilación de una
    partícula producido por una fuerza recuperadora: Se
    observa que el periodo y la frecuencia dependen exclusivamente de
    la constante elástica del movimiento k y de la masa m del
    cuerpo que lo describe.

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    21 2.2. Energía del Oscilador armónico simple Hemos
    visto que un oscilador armónico es un sistema material que
    se mueve con movimiento armónico simple MAS. La
    energía mecánica que posee es CINÉTICA,
    porque está en movimiento y POTENCIAL ELÁSTICA, ya
    que el movimiento armónico es consecuencia de la
    acción de una fuerza conservativa (la fuerza
    elástica recuperadora). Energía cinética La
    partícula de masa m que se mueve con una velocidad v
    tendrá una energía cinética: Recordando la
    ecuación de la velocidad y la expresión de la
    constante k:

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    22 2.2. Energía del Oscilador armónico simple
    (Cont.) Energía potencial elástica Para un
    oscilador cuya constante elástica es k, la energía
    potencial elástica en el instante que su elongación
    es x vale: Recordando la ecuación de la elongación
    : podemos expresar la energía potencial elástica
    del oscilador de esta manera: Energía mecánica Es
    la suma de las dos anteriores: La energía mecánica
    de un oscilador armónico es una constante
    característica de éste directamente proporcional al
    cuadrado de la amplitud.

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    23 Ejercicio 21 de la página 105 Datos: m = 2 kg; F = 8,0
    N; x = 20 cm = 0,2 m; a) Hallamos la constante elástica k
    a partir de la fuerza necesaria para alargarlo 20 cm, a partir de
    la posición de equilibrio: F = k · x Despejando la
    constante k : b) El período del MAS en función de
    la masa y de la constante elástica vale:

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    24 Ejercicio 23 de la página 107 Datos: m = 2 kg; k = 65
    N/m; A = 0,3 m; a) En el momento inicial toda la energía
    mecánica del cuerpo es energía potencial
    elástica , ya que x = A = 0,3 m. En esta posición
    su energía potencial es máxima. b) La velocidad
    máxima la alcanzará al pasar por la posición
    de equilibrio, donde su energía potencial elástica
    será nula y toda la energía mecánica
    será energía cinética. Podemos pues
    determinar la velocidad, despejando de la expresión de la
    energía cinética: (Gp:) l0 (Gp:) xmax = 0,3 m (Gp:)
    Posición de equilibrio

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    25 2.3. Péndulo simple Si suspendemos una pequeña
    partícula material de masa m de un hilo de longitud L,
    inextensible y de masa despreciable, y la separamos un
    pequeño ángulo a de su posición vertical de
    reposo, la partícula se comporta como un oscilador. Este
    sistema recibe el nombre de péndulo simple o
    matemático El movimiento del péndulo simple es un
    movimiento armónico simple siempre que se consideren
    desplazamientos (amplitudes) muy pequeños Con esa
    aproximación, a partir de la ecuación del periodo
    del MAS que vimos anteriormente podemos obtener una nueva
    ecuación para el periodo del péndulo: Se observa
    que el periodo del péndulo depende exclusivamente de la
    longitud del hilo L y del valor de la aceleración de la
    gravedad g del lugar donde éste oscila. Periodo del MAS
    Periodo del péndulo (Gp:) L (Gp:) m (Gp:) a

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    26 Ejercicio 27 de la página 109 Datos: L = 0,556 m si g =
    9,75 m/s2 ; gLuna = 1,96 m/s2 ; a) Aplicando la ecuación
    del periodo del péndulo: b) Con los datos de la Tierra,
    calculamos la longitud L del péndulo: Y una vez conocida
    su longitud, ya podemos calcular su periodo en la Luna:

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    27 l0 l l l x x x x = l – l0 Ley de Hooke Los cuerpos
    elásticos se deforman al aplicarles una fuerza,pero
    ¿qué relación existe entre la intensidad de
    la fuerza recuperadora y la deformación producida ? El
    físico inglés R.Hooke determinó en el siglo
    XVII esta relación, lo que se conoce como ley de Hooke. La
    deformación x que sufre un cuerpo elástico es
    directamente proporcional a su fuerza recuperadora y de sentido
    contrario . Matematicamente: F = – k · x siendo k la
    constante de proporcionalidad, que recibe el nombre de CONSTANTE
    ELÁSTICA F F F

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    28 RADIÁN R El radián es el ángulo central
    de una circunferencia que abarca un arco igual al radio de la
    circunferencia: Como la longitud total de la circunferencia es:
    El ángulo completo de la circunferencia equivale a: La
    equivalencia entre grados sexagesimales y radián es:

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